तीन आयाम पाड़ों में दो आयाम Electrospun Nanofiber मैट का विस्तार
Summary
यह लेख एक पारंपरिक, दो आयाम (2d) electrospun nanofiber चटाई एक तीन आयाम (3d) पाड़ उपमहत्वपूर्ण CO2 द्रव के depressurization के माध्यम से विस्तार करने की तकनीक को दर्शाता है । इन संवर्धित पाड़ 3 डी, बारीकी से सेलुलर nanotopographic cues नकल कर रहे हैं, और जीवविज्ञान nanofibers के भीतर encapsulated अणुओं के कार्यों की रक्षा ।
Abstract
Electrospinning एक सिंथेटिक, कार्यात्मक extracellular मैट्रिक्स के लिए नकल करने के लिए कारण पाड़ और संरचना, संरचना, और फाइबर के व्यास का नियंत्रण आसानी उत्पादन में पसंदीदा प्रौद्योगिकी किया गया है । हालांकि, इन फायदों के बावजूद, पारंपरिक electrospun nanofiber पाड़ों अव्यवस्थित nanofiber उंमुखीकरण, कम porosity, छोटे ताकना आकार, और मुख्य रूप से दो आयामी मैट सहित सीमाओं के साथ आते हैं । जैसे, वहां electrospun nanofiber पाड़ों कि उपर्युक्त सीमाओं को दूर कर सकते है निर्माण के लिए एक नई प्रक्रिया के विकास के लिए एक बड़ी जरूरत है । साथ ही, एक उपन्यास और सरल विधि हँ । एक पारंपरिक 2d nanofiber चटाई वांछित मोटाई, गैप दूरी, porosity, और nanotopographic cues के साथ एक 3 डी पाड़ में तब्दील हो कोशिका बोने और उपमहत्वपूर्ण सह2 द्रव के depressurization के माध्यम से प्रसार के लिए अनुमति देते हैं । ऊतक पुनर्जनन के लिए एक पाड़ प्रदान करने के लिए होने के अलावा, इस विधि भी इस तरह के स्थानीय दवा वितरण के लिए रोगाणुरोधी पेप्टाइड्स के रूप में सक्रिय अणुओं encapsulate करने का अवसर प्रदान करता है । सीओ2 विस्तारित nanofiber पाड़ ऊतक पुनर्जनन, घाव भरने, 3 डी ऊतक मॉडलिंग, और सामयिक दवा वितरण में महान क्षमता पकड़ ।
Introduction
एक कृत्रिम पाड़ है कि रोगियों में प्रत्यारोपित किया जा सकता है ऊतक की मरंमत और पुनर्जनन में सहायता के विकास की अवधारणा है कि दशकों के लिए एक अपक्षयी दवा क्षेत्र रिस चुका है । आदर्श सिंथेटिक पाड़ के लिए स्वस्थ ऊतक आसपास से सेल प्रवास के लिए प्रेरित करता है, कोशिका बोने के लिए एक वास्तुकला प्रदान करता है, आसंजन, संकेत, प्रसार, और भेदभाव, vascularization का समर्थन करता है, पर्याप्त ऑक्सीजन के लिए अनुमति देता है और पोषण वितरण, और मेजबान प्रतिरक्षा गतिविधि को बढ़ावा1आरोपण के बाद सफलता सुनिश्चित करने के लिए । इसके अतिरिक्त, यह रोगाणुरोधी अणुओं embedding घाव भरने में सहायता करने के लिए एक वाहक के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता1,3,6,7,8,9. सिंथेटिक पाड़ से इन जीवविज्ञान अणुओं के लौकिक रिहाई को नियंत्रित करने की क्षमता एक और वांछनीय विशेषता है कि माना जाता है जब इंजीनियरिंग पाड़1है ।
Electrospinning nanofiber पाड़1,2,3,4,5,6के उत्पादन के लिए एक अच्छी तरह से उपयोग तकनीक किया गया है । पिछले जैसे एक nanofiber पाड़ बनाने के प्रयास यहां चर्चा की सफलता की डिग्री बदलती के लिए किया गया है के रूप में एक । हालांकि, पारंपरिक nanofiber पाड़ों सीमित क्षमता है इन लक्ष्यों को प्राप्त करने के लिए । पारंपरिक nanofiber पाड़ों गया है ज्यादातर दो आयामी मैट1,3। इन विविस्तारित पाड़ घनी छोटे ताकना आकार के साथ पैक कर रहे हैं; यह सीमा सेल घुसपैठ, प्रवास, और भेदभाव के रूप में यह एक ऐसे वातावरण को बढ़ावा देने के लिए पर्याप्त नहीं है vivo1,7,8,9में पाया । इस कारण से, 3 डी electrospun nanofiber पाड़ तैयारी की नई तकनीक अंतर्निहित खामियों कि 2d nanofiber मैट के साथ आने में संशोधन करने के लिए स्थापित किया गया है । ये तकनीक 3 डी पाड़ में परिणाम; हालांकि, वे जलीय समाधान और फ्रीज-सुखाने प्रक्रियाओं की आवश्यकता होती है उत्पादन तरीकों के कारण लागू सीमित है । प्रतिबंधित संगठन के बिना nanofibers के यादृच्छिक वितरण में यह संसाधन परिणाम, उचित मोटाई, और/या वांछित porosity पर्याप्त nanotopographic cues कि सेल प्रवास और प्रसार के लिए आवश्यक है प्रदान करने के लिए । इन कारकों पिछले 3 डी electrospun nanofiber पाड़ में परिणाम है कि रहने वाले ऊतकों की पर्याप्त नकल की कमी1,7,8,9।
extracellular मैट्रिक्स (ECM) के बेहतर नकल के साथ एक विस्तारित, 3 डी पाड़ विकसित करने के बारे में हाल ही में प्रयास किया गया है एक जलीय सोडियम borohydride (नभ4) समाधान उपचार और के बेहतर नियंत्रण में सहायता करने के लिए डिज़ाइन किए गए मोल्ड का उपयोग कर परिणामस्वरूप पाड़7,8की आकृति । हालांकि, इस विधि के रूप में यह जलीय समाधान, रासायनिक प्रतिक्रियाओं के उपयोग की आवश्यकता है आदर्श नहीं है, और फ्रीज-सुखाने कि पॉलिमर और किसी भी encapsulated जैव अणुओं है कि पानी में घुलनशील है के साथ हस्तक्षेप कर सकते हैं । इस्तेमाल किया additives भी ऊतक पुनर्जनन8,9के दौरान साइड इफेक्ट का कारण हो सकता है । सीओ2 विस्तार इस लेख में उल्लिखित विधि बहुत प्रसंस्करण समय कम कर देता है, जलीय समाधान के लिए की आवश्यकता समाप्त, और मात्रा और जैविक रूप से सक्रिय अणुओं की कार्यक्षमता को बरकरार रखता है पहले की तुलना में एक बड़ी हद तक स्थापित विधियां9.
पिछले अध्ययनों में, एंटीबायोटिक दवाओं, चांदी, 1α, 25 dihydroxyvitamin डी3, और रोगाणुरोधी पेप्टाइड LL-३७ nanofiber पाड़ों में व्यक्तिगत रूप से लोड किए गए थे और संयोजन में इन पाड़ों की क्षमता की जांच करने के लिए एजेंटों को रिहा करने के लिए घाव भरने में अतिरिक्त सहायता9,10,12,13। nanofiber पाड़ विस्तार, Coumarine 6, एक फ्लोरोसेंट डाई की इस विधि का प्रदर्शन करने के प्रयोजन के लिए, पाड़ में विभिन्न वांछित यौगिकों के साथ पाड़ embedding की क्षमता को प्रदर्शित करने के लिए लोड किया जाएगा । encapsulated सक्रिय अणुओं के साथ संयोजन के रूप में विस्तारित nanofiber पाड़ निर्माण का यह तरीका ऊतक पुनर्जनन, घाव भरने, 3 डी ऊतक मॉडल के निर्माण में महान क्षमता रखती है, और दवाओं के सामयिक वितरण ।
Protocol
Representative Results
Discussion
सह2 depressurization के माध्यम से विस्तारित 3 डी पाड़ में पारंपरिक 2d electrospun nanofiber मैट बदलने की जांच की गई । पारंपरिक 2d nanofiber मैट सफलतापूर्वक उपमहत्वपूर्ण सह2 द्रव के माध्यम से विस्तार कर रहे हैं । महत्वपूर्?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
यह काम NIH (2P20 GM103480-06 और 1R01GM123081 को J.X.), ओटिस मिट्टी मेडिकल रिसर्च फाउंडेशन, NE LB606, और स्टार्टअप फंड के नेशनल इंस्टीट्यूट ऑफ जनरल मेडिकल साइंस (NIGMS) से अनुदान द्वारा समर्थित किया गया नेब्रास्का चिकित्सा विश्वविद्यालय से केंद्र.
Materials
| Polycaprolactone | Sigma-Aldrich | 440744 | |
| N,N-Dimethlyformamide | Fisher Chemical | D-199-1 | |
| Dichloromethane | Fisher Chemical | AC61093-1000 | |
| Coumarin 6 | Sigma-Aldrich | 546283 | |
| Rotating Steel Drum | customized | This serves as a collector during electrospinning. | |
| Syringe Pump | Fisher Scientific | 14-831-200 | Coaxial spinning requires two single syringe pumps. |
| Revolver | Lab Net International | H5600 | Adjustable lab rotator for mixing solutions |
| Hypodermic Needle (27G x 1 1/2") | EXCELINT International Co | 26426 | This is part of the example customized coaxial nozzel shown. |
| Hypodermic Needle (21G x 1 1/2") | EXCELINT International Co | 26416 | This is part of the example customized coaxial nozzel shown. |
| High Voltage DC Power Supply | Gamma High Voltage Research | ES30 | |
| Scanning Electron Microscope | FEI | Nova 2300 | |
| Fluorescence Microscope | Zeiss | Axio Imager 2 | |
| LL 37 ELISA Kit | Hycult Biotech | HK321-02 |
References
- Chen, S., et al. Recent advances in electrospun nanofibers for wound healing. Nanomedicine. 12 (11), 1335-1352 (2017).
- Khandalavala, K., Jiang, J., Shuler, F. D., Xie, J. Electrospun Nanofiber Scaffolds with Gradations in Fiber Organization. Journal of Visualized Experiments. (98), e52626 (2015).
- Xie, J., Li, X., Xia, Y. Put electrospun nanofibers to work for biomedical research. Macromolecular Rapid Communication. 29 (22), 1775-1792 (2008).
- Xie, J., et al. Nanofiber membranes with controllable microwells and structural cues and their use in forming cell microarrays and neuronal networks. Small. 7 (3), 293-297 (2011).
- Xie, J., et al. Radially aligned, electrospun nanofibers as dural substitutes for wound closure and tissue regeneration applications. ACS. 4 (9), 5027-5036 (2010).
- Xie, J., et al. “Aligned-to-random” nanofiber scaffolds for mimicking the structure of the tendon-to-bone insertion site. Nanoscale. 2 (6), 923-926 (2010).
- Jiang, J., et al. Expanded 3D Nanofiber Scaffolds: Cell Penetration. Neovascularization, and Host Response. Advanced Healthcare Materials. 5 (23), 2993-3003 (2016).
- Jiang, J., et al. Expanding Two-Dimensional Electrospun Nanofiber Membranes in the Third Dimension by a Modified Gas-Foaming Technique. ACS Biomaterials Science & Engineering. 10 (1), 991-1001 (2015).
- Jiang, J., et al. CO2-expanded nanofiber scaffolds maintain activity of encapsulated bioactive materials and promote cellular infiltration and positive host response. Acta Biomaterialia. 68, 237-248 (2018).
- Chen, S., et al. Nanofiber-based sutures induce endogenous antimicrobial peptide. Nanomedicine. 12 (10), 2597-2609 (2017).
- Dhand, C., et al. Bio-inspired crosslinking and matrix-drug interactions for advanced wound dressings with long-term antimicrobial activity. Biomaterials. 138, 153-168 (2017).
- Jiang, J., et al. Local sustained delivery of 25-hydroxyvitamin D3 for production of antimicrobial peptides. Pharmaceutical Research. 32 (9), 2851-2862 (2015).
- Jiang, J., et al. 1α, 25-dihydroxyvitamin D3-eluting nanofibrous dressings induce endogenous antimicrobial peptide expression. Nanomedicine (Lond). 13 (12), 1417-1432 (2018).
- Ma, B., Xie, J., Jiang, J., Shuler, F. D., Bartlett, D. E. Rational design of nanofiber scaffolds for orthopedic tissue repair and regeneration. Nanomedicine. 8 (9), 1459-1481 (2013).
